BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Turbin Gas 2.1.1 Umum - Analisa Pengaruh Water Wash Terhadap Performansi Turbin Gas Pada PLTG Unit 7 Paya Pasir PT.PLN Sektor Pembangkitan Medan
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Turbin Gas
2.1.1 Umum Turbin gas adalah suatu penggerak mula yang memanfaatkan gas sebagai fluida kerja.
Didalam turbin gas energi kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik berupa putaran yang menggerakkan roda turbin sehingga menghasilkan daya. Bagian turbin yang berputar disebut rotor atau roda turbin dan bagian turbin yang diam disebut stator atau rumah turbin. Rotor memutar poros daya yang menggerakkan beban (generator listrik, pompa, kompresor atau yang lainnya). Turbin gas merupakan salah satu komponen dari suatu sistem turbin gas. Sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu kompresor,ruang bakar [1]. dan turbin gas
[2],
Menurut Dr. J. T. Retaliatta sistim turbin gas ternyata sudah dikenal pada jaman Hero of Alexanderia. Disain pertama turbin gas dibuat oleh John
[3]
Barber seorang Inggris pada tahun 1791 . Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran batu bara, kayu atau minyak , kompresornya digerakkan oleh turbin dengan perantaraan r antai roda gigi.
[4]
Pada tahun 1872, Dr.F. Stolze merancang sistem turbin gas yang menggunakan kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin
[5]
reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses pembakaran pada volume konstan. Tetapi usaha tersebut dihentikan karena terbentur pada masalah konstruksi ruang bakar dan tekanan gas pembakaran yang berubah sesuai beban.
[6]
Tahun 1904, Societe desTurbomoteurs´ di Paris membuat suatu sistem turbin gas yang instruksinya berdasarkan disain Armen gaud dan Lemate yang menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran yang masuk sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung digerakkan oleh turbin.
Selanjutnya, perkembangan sistem turbin gas berjalan lambat hingga pada tahun 1935 sistem turbin gas. Mengalami perkembangan yang pesat dimana diperoleh efisiensi sebesar lebih kurang 15 %.
Pesawat pancar gas yang pertama diselesaikan oleh British Thomson
[7]
Houston Co´ pada tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun 1930) . Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang dan lainnya. Sistem turbin gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin uap dan motor diesel untuk pusat tenaga listrik.
Turbin gas merupakan Pesawat kalori yang tergolong dalam Internal
Combusition Engine ( ICE) atau sering disebut dengan mesin pembakar didalam.
Sebagai sumber energy dan turbin gas adalah fluida gas yang diperoleh, dan gas hasil pembakaran bahan bakar diruang bakar ( Combustion Chambers). Bahan bakar yang digunakan untuk turbin gas antar lain bahan bakar cair (Distilate) seperti HSD atau IDO juga dapat digunakan gas bumi atau gas alam ( LNG =
Lequid Natural Gas ).
[8]
Gambar Turbin Gas dapat dilihat seperti gambar berikut :
Gambar 2.1 Turbin GasUntuk mendapat proses pembakaran yang baik pada combustion chambers diperlukan 3 ( tiga ) komponen utama, antara lain :
1. Udara pembakaran
2. Bahan bakar
3. Ignition/ busi Udara pembakaran didapat dari kompresor utama yang seporos dengan turbin dan digerakkan oleh turbin. Bahan bakar yang dimasukkan kedalam ruang bakar yang jumlahnya diatur oleh governor agar dapat diperoleh putaran yang konstan atau tetap walaupun beban mesin berubah-ubah, naik atau pun turun. Sedangkan untuk mendapatkan temperatur pembakaran yang pertama sekali adalah dari penyala busi yang akan menyala pada saat permulaan pembakaran atau periode firing.
2.1.2 Prinsip Kerja Turbin Gas Udara masuk kedalam kompresor melalui saluran masuk udara (inlet).
Kompresor ini berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, akibatnya temperatur udara juga meningkat. Kemudian udara yang telah dikompresi ini masuk kedalam ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar sehingga bercampur dengan udara tadi dan menyebabkan proses pembakaran. Gambar Skema dari suatu instalasi gas turbin untuk industry dapat
[9]
dilihat seperti gambar berikut ;
Gambar 2.2 Skema dari suatu instalasi gas turbin untuk industryProses pembakaran tersebut berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan ruang bakar han ya untuk menaikkan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozel yang berfungsi untuk mengarahkan aliran tersebut ke sudu-sudu turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut digunakan untuk memutar kompresornya sendiri dan memutar beban lainnya seperti generator listrik, dll. Setelah melewati turbin ini gas tersebut akan dibuang keluar melalui saluran buang (exhaust).
Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistim turbine gas adalah sebagai berikut:
1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan
2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar.
3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle)
4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Gas(PLTG) yaitu ; JBE, AEG dan
Alsthom jumlah busi yang digunakan hanyalah 2 (dua) buah untuk 10 ruang bakar, dan penyalaan ruang bakar (combustion Chamber) yang tidak memiliki busi akan dapat penyebaran api yang menyebarkan melalui cross (X) fire turbin. Untuk turbin, Wescan (Westhing Hause Canada) yang memilki enam buah dimana tiap combustion chamber diperlengkapi dengan satu
combustion chamber buah busi.
Ruang bakar untuk PLTG Wescan tidak dihubungkan dengan cross (X)
fire tube . Berarti bila ada salah satu busi yang pada combustion chamber maka
pada saat start ada combustion chamber yang tidak terbakar ( padam ).Sedangkan untuk PLTG yang memiliki cross (X) fire tube hal ini jarang terjadi, karena walaupun salah satu busi ada yang padam tetapi pembakaran masih dapat terjadi pada seluruh ruang bakar. Gambar Skematic Diagram dari Turbin dapat
[10]
dilihat seperti gambar berikut :
Gambar 2.3. Skematic Diagram dari TurbinFluida kerja yang digunakan pada proses ini adalah gas. Udara dimampatkan dengan cara dihisap dan ditekan oleh kompresor kemudian dimasukkan ke ruang bakar untuk bersama - sama dibakar dengan bahan bakar, dari hasil pembakaran diteruskan ke turbin, dimana dalam ruang bakar terjadi proses politropik.
Udara hasil kompresor dicampur dengan bahan bakar, sehingga terjadi pembakaran dimana penyalaannya berasal dari sistem penyalaan busi. Turbin turbin gas, kompresor dan generator dibuat seporos sehingga ketika turbin berputar, maka turbin juga memutar kompresor dan generator yang menghasilkan listrik.
Pada turbin gas media pendingin berupa udara guna menjaga keamanan material atau sudu - sudu turbin.
Adapun keuntungan - keuntungan dari turbin gas adalah :
Suaranya sangat bising, sehinnga menimbulkan lingkungan kerja yang kurang baik. Gambar Diagram alir Turbin gas dapat dilihat seperti gambar berikut :
Operation dan maintenence pembangkit listrik bertujuan untuk menjaga
2.2 PLTG dengan menggunakan Water Wash
Gambar 2.4. Diagram alir Turbin GasK = Kompresor TG = Turbin Gas
:
[11] Dimana
b.
a. Jumlah komponen jauh lebih sedikit dan tidak memerlukan daerah luas, sehingga. menguntungkan.
Effisiensi turbin gas sangat rendah ( 20-30 % ).
f. Fleksibel dalam memenuhi kebutuhan instalasi. Adapun kelemahan dari tubin gas : a.
e. Biaya investasi rendah.
d. Mudah dan cepat diopersikan.
c. Dapat dioperasikan pada jarak dekat.
b. Getaran halus.
agar performa pembangkit listrik yang di jalankan tetap maksimal, terdapat banyak sekali kegiatan yang berkaitan dengan operation dan maintenence pembangkit listrik, mulai dari kegiatan yang sifatnya harian, mingguan dan bulanan. Salah satu kegiatan bulanan yang rutin dilakukan dalam upaya menjaga performa turbine ialah water wash atau jika kita terjemahkan bebas kedalam bahasa indonesia kurang lebih berarti mencuci turbine, pengertian water wash sendiri dapat kita sederhanakan yaitu mencuci turbine khususnya blade - blade pada compressor dan turbine. untuk menjaga performance turbin gas, juga untuk
[12]
mengurangi tingkat pertambahan fouling pada sudu-sudu kompresor turbin gas Kebersihan Compressor dapat dipertahankan dengan menggunakan program rutin mencuci air. Ada dua macam tipe water wash yang dapat dilakukan yaitu online dan offline water wash . Sebuah manuver offline dilakukan dengan turbin gas dalam keadaan didinginkan menggunakan kecepatan cranking kecepatan 2000-3000 rpm, pada pembersihan model ini juga digunakan campuran soap (sabun). sementara manuver secara online dilakukan dengan mesin pada suhu operasi ( maksimal beban digeneratornya itu 5 MW) dan menggunakan air saja tanpa soap (sabun). Kedua operasi menggunakan pola semprotan air dari nozzle yang sangat dikabutkan dirancang untuk benar-benar masuk ke inti kompresor.
Proses secara offline membersihkan inti seluruh pulih dan kinerja hilang, sedangkan online membersihkan tahap awal dan memaksimalkan periode waktu antara diperlukan antara mencuci offline untuk menyediakan ketersediaan puncak. Gambar Diagram Pencucian dengan system On-line / Off – line dapat dilihat
[13]
sebagai berikut :
Gambar 2.5 Diagram Pencucian dengan system On-line / Off – linePenentuan model pembersihan mana yang lebih baik tentunya sesuai dengan kebutuhan, jikalau kita tetap ingin turbine dalam kondisi berbeban, maka dapat digunakan online water wash. dan jika kita menginginkan hasil permbersihan yang lebih bersih, kita gunakan offline water wash. Gambar grafik perbanding Grafik Perbandingan Output performance On-line dan Off – line
[14]
dapat dilihat seperti gambar berikut ;
Gambar 2.6 Grafik Perbandingan Output performance On-line dan Off - LineTujuan dasar dari pembersihan secara online adalah untuk menjaga kebersihan kompresor setelah mencuci offline, untuk mempertahankan daya dan efisiensi dengan meminimalkan kerugian yang sedang berlangsung, dan untuk memperpanjang periode beroperasi antara shut downs diperlukan untuk offline (Engkol) mencuci.
Mencuci online untuk kontrol fouling telah menjadi semakin penting dengan tanaman beban dasar siklus gabungan dan gabungan panas dan daya produksi (CHP) tanaman. Hal ini juga penting untuk turbin gas di layanan drive mekanis, di mana sedikit atau redundansi diinstal dan dimana downtime yang terkait dengan mencuci engkol harus diminimalkan. Gambar Skema Perpipaan
[15] Wat er Wash pada PLTG dapat dilihat seperti gambar berikut :
Gambar 2.7 Instalasi Pipa Water Wash Pada PLTGGambar 2.8 Pipa Water Wash Tampak DepanWater wash yang dilakukan secara On-line dengan menggunakan air demineralisasi. Prosesnya sebagai berikut :
a. Persiapan Water Wash
Yang perlu diperhatikan sebelum water wash antara lain sebagai berikut : 1. Pengecekan peralatan.
2. Pengurasan tanki water wash.
3. Flushing pipa air dari water washing skid ke turbin gas.
4. Pengisian air demin.
5. Pemanasan air.
1. Pengecekan peralatan
Ada beberapa peralatan yang harus dipastikan bekerja dengan baik sebelum water wash dilakukan antara lain : motor pompa transfer water 88WT , motor pompa dosing 88DM dan tanki heater. Peralatan tersebut berada seluruhnya di dalam water washing skid, suplay daya untuk water washing skid akan otomatis tersalurkan dengan melakukan change over suplay dari 10,5 kV back feeding ke 20 kV. (Gambar motor pompa transfer water 88WT , motor pompa dosing 88DM dapat dilihat pada gambar 3.5) 2.
Pembersihan tanki water wash Ketika manhole dibuka, ditemukan tanki dalam keadaan kotor dan memerlukan pembersihan langsung. Tanki water wash kemudian di drain dan dibersihkan (hand cleaned).
3. Flushing pipa.
Segmen pipa dari water washing skid telah terendam, sehingga dilakukan flusing dengan menggunakan air dari sumur bor.
4. Pengisian Air Demin.
Pengisian air di tanki water wash dilakukan dengan menggunakan air demin.
5. Pemanasan Air. Setelah tanki terisi oleh air demin sebanyak 15 kL, kemudian air dipanaskan dengan menggunakan heater yang sudah terpasang di tanki hingga mencapai temperatur diatas 80 ºC. Pemanasan air diperlukan untuk menghindari thermal
shock karena perbedaan temperature yang sangat jauh antara material panas
dengan air. Dengan menggunakan air yang dipanaskan hingga 80 ºC, maka temperatur wheelspace maksimum untuk water wash ( Water Wash Permitive ) adalah 149 ºC.
b. Pelaksanaan Water Wash.
Pelaksanan water wash dimulai dengan pembukaan beberapa valve dan menutup beberapa valve lainnya. Valve yang dibuka adalah drain valve yang membuang air limbah water wash dari compressor casing, inlet plenum dan combustion chamber. Valve yang ditutup adalah valve udara pendingin dari kompresor (compressor extraction) dan valve udara sealing dari kompresor ke baring. Valve flame detector juga ditutup sedangkan bleed valve akan menutup otomatis dengan pengaturan dari control system.
Pada dasarnya water wash turbin gas dilakukan dengan menyemprot air ke kompresor bersamaan dengan proses cranking. Injeksi air ke kompresor dilakukan dengan menyalakan motor-pompa 88TW di water washing skid setelah turbin terlebih dahulu di crank. Cranking speed wash adalah 1195 rpm.
Pada awal penyemprotan air yang keluar dari drain combustion chamber sangat kotor. Beberapa saat setelah penyemprotan air dilakukan chemical dicampur ke dalam air menuju kompresor. Injeksi chemical dilakukan dengan menyalakan pompa dosing 88DM. Setelah injeksi air + chemical dihentikan kompresor dibiarkandalam keadaan basah oleh air + chemical .
Proses rising dilakukan dengan menyemprotkan air ke kompresor hingga air drain dari kompresor bersih secara visual. Penyemprotan air terus dilakukan hingga crank di stop dan turbin gas pada kondisi 0 rpm.
c. Proses Pengeringan.
Proses pengeringan kompresor dan ruang bakar dilakukan 2 (dua) tahap. Proses tahap pertama pengeringan dilakukan dengan cara cranking turbin gas setelah proses rising. Proses cranking dilakukan mengeluarkan sisa - sisa yang masih terdapat pada inlet plenum, kompresor dan ruang bakar.
Sebelum tahap kedua pengeringan dilakukan, Seluruh valve yang sebelumnya dikondisikan untuk water wash di kembalikan seperti semula.Proses pengeringan tahap ke dua adalah dengan mengoperasikan turbin hingga mencapai kondisi full speed (5163 rpm). Pada proses ini harus diperhatikan temperature wheel spaceuntuk memastikan seluruh valve telah di kembalikann ke operasi semula dan turbin beroperasi dengan normal.
Setelah water wash selesai dilaksanakan, pengoperasian dilaksanakan dan ditandai dengan perubahan pada beberapa parameter seperti Temperature exhaust turun menjadi 533 ºC, CPD (compressor pressure discharge) naik
2
menjadi 10,48 kg/cm , CTD (compressor temperature discharge) turun menjadi 363 ºC dan turbin gas mampu beroperasi dengan daya keluaran generator lebih dari set point 34,1 MW.
2.2.1. Pr insip Ker ja PLTG sebelum Water Wash Temperatur udara masuk kompresor 30 ºC dimampatkan oleh kompresor hingga udara tersebut bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi. Setelah itu masuk ke ruang bakar, pada saat beban telah mencapai 38 MW temperatur gas buang turbin 581 ºC dan ini telah menyentuh TLC (temperature Limit Control).
Sehingga beban tidak dapat dinaikkan lagi Penurunan peformansi dari turbin gas disebabkan oleh penurunan peforma pada sudu - sudu kompresornya yang ditandai dengan perubahan pada beberapa parameter seperti CPD (Compresor pressure Discharge) menjadi 9,3 kg
2 / cm dan CTD (Compressor Temperature Discharge) yang naik hingga 380 ºC.
2.2.2. Pr insip Ker ja PLTG setelah Water Wash Temperatur udara masuk kompresor udara atmosfir dengan temperature ambient 30 ºC dimampatkan oleh kompresor hingga udara tersebut bertekanan tinggi dan bertemperatur tinggi. Setelah itu masuk ke ruang bakar ,pada saat beban mencapai 38 MW temperatur gas buang turbin naik 581 ºC.
Sehingga di ruang bakar ditambah terus bahan bakar agar temperatur gas buang turbin turun menjadi 533 ºC di kontrol oleh temperatur control system, Disini berupaya untuk menjaga temperatur karena temperatur gas buang turbin sudah terlampau tinggi sehingga dilakukan water wash agar performansi kerja kompresor tidak deposit, yang ditandai dengan perubahan pada parameter
2
seperti CPD (Compressor Pressure Discharge) naik menjadi 10 kg / cm dan CTD (Compressor Temperatur Discharge) turun menjadi 363 ºC. menyebabkan beban dapat naik menjadi 42 MW. Gambar proses Penyemprotan air
[16]
dimineralisasi dari nozel ke Kompresor dapat dilihat seperti gambar berikut : Gambar.2.9 : Proses Pembersihan Kompresor
2.3 Komponen Utama PLTG Adapun yang menjadi komponen - komponen utama dalam PLTG antara lain sebagai berikut:
2.3.1. Air Inlet Section
Berfungsi untuk menyaring kotoran dan debu yang terbawa dalam udara sebelum masuk ke kompresor. Gambar Air Inlet Section dapat dilihat seperti
[17]
gambar berikut :
Gambar 2.10. Air Inlet SectionBagian ini terdiri dari:
2.3.1.1 Air Inlet Housing , Air Inlet Housing merupakan tempat udara masuk dimana
didalamnya terdapat peralatan pembersih udara. Gambar Air Inlet Housing
[18]
dapat dilihat seperti gambar berikut :
Gambar 2.11 Air inlet housing2.3.1.2. Inertia Separator , Inertia Separator berfungsi untuk membersihkan debu-debu atau partikel
yang terbawa bersama udara masuk. Gambar Inertia separator dapat dilihat seperti
[19]
gambar berikut; Gamabar 2.12 Inertia Separator
2.3.1.3 Pre-Filter,
Pre-Filter merupakan penyaringan udara awal yang dipasang pada inlet [20]
house. Gambar Pre-Filter dapat dilihat seperti gambar berikut ;
Gambar 2.13 Pre-filter2.3.1.4 Main Filter , Main Filter merupakan penyaring utama yang terdapat pada bagian dalam
inlet house, udara yang telah melewati penyaring ini masuk ke dalam kompresor
[21]
aksial. Gambar Main Filter dapat dilihat seperti gambar berikut ;
Gambar 2.14 Main Filter2.3.1.5 Inlet Bellmouth, Inlet Bellmouth berfungsi untuk membagi udara agar merata pada saat
memasukiruang kompresor. Gambar Inlet Bellmouth dapat dilihat seperti gambar
[22]
berikut ;
Gambar 2.15 Inlet Bellmouth2.3.1.6 Inlet Guide Vane , Inlet Guide Vane merupakan blade yang berfungsi sebagai pengatur
jumlah udara yang masuk agar sesuai dengan yang diperlukan. Gambar Inlet
[23] Guide Vane dapat dilihat seperti gambar berikut :
Gambar.2.16 Inlet Guide Vane
2.3.2. Kompresor
Kompresor adalah suatu alat atau mesin yang berfungsi untuk menaikkan tekanan dengan proses kompresi isentropis. Sebelum memasuki kompresor, udara harus melewati saringan, agar partikel - partikel kasar tidak masuk sehingga sudu - sudu kompresor dan turbin tidak cepat aus dan rusak.
Kompresor yang digunakan adalah kompresor rotary aliran aksial multisage yang terpasang satu poros dengan turbin dan generator. Daya untuk memutar kompresor diperoleh dari kerja turbin dengan perbandingan 60% - 70% kerja turbin digunakan untuk memutar kompresor. Gambar Axial compressor dapat
[24]
dilihat seperti gambar berikut ;
Gamabar 2.17 Axial compressor Pada saat start awal daya untuk memutar kompresor diperoleh dari generator yang dioperasikan sebagai motor dengan prinsip membalikkan arus penguatnya. Pada saat putaran tertentu arus penguat akan lepas secara otomatis dan selanjutnya arus penguatan generator akan masuk sehingga generator mensuplai energi listrik. Bagian - bagian utama kompresor :
2.3.2.1 Kompresor stator berfungsi untuk menjamin ring sudu - sudu tetap berada kokoh pada posisinya dan memindahkan gaya reaksi karena aliran dan tekanan ke casing (pelapis) luar. Gambar Stator dan Rotor dapat dilihat
[25]
seperti gambar berikut;
Gambar 2.18. Stator dan Rotor2.3.2.2 Exhaust Difusor Compressor, berfungsi mengubah energi kinetik dari udara kompresor menjadi tekanan dengan efisiensi sebaik mungkin.
[26]
Gambar Exhaust Diffuser dapat dilihat seperti gambar berikut;
Gambar 2.19 : Exhaust Diffuser2.3.2.3 Sudu putar kompresor, berfungsi untuk mengubah energi mekanik udara menjadi energi kinetik dan energi potensial secara bersamaan dengan sudu tetap menaikkan tekanan udara. Gambar sudu putar
[27]
kompresor dapat dilihat seperti gambar berikut;
Gambar 2.20. Sudu Putar Kompresor2.3.2.4 Sudu tetap kompresor, berfungsi untuk merubah aliran udara melalui haluan sudu dalam arah yang berlawanan dengan putaran rotor.
Akibat dari perlambatan disertai dengan naiknya tekanan udara. Gambar
[28]
Sudu Tetap dan Sudu Gerak pada kompresor;
Gambar 2.21. Sudu Tetap dan Sudu Gerak pada kompresor2.3.3. Ruang Bakar (Combustion Chamber)
Ruang bakar (combustion chamber) adalah suatu tempat dimana bahan bakar baik gas atau minyak atau campuran keduanya melalui burner dibakar.
Bahan bakar ini dibakar dengan menggunakan udara pembakar disuplai dari kompresor.
Gas panas hasil pembakaran kemudian dialirkan ke turbin. Pada turbin gas ini terdapat dua buah combustion chamber ruang bakar tipe silo yang dipasang di kanan dan di kiri unit. Udara dari kompresor memasuki ruang bakar melalui ruang antara pressure jacket dan inner liner atau mixing chamber mengalir sebagai udara primer ke burner.
Di bagian bawah flame tube ada beberapa lubang. Udara tertekan melalui lubang - lubang ini memasuki mixing chamber sebagain udara sekunder.
Untuk memeriksa ke bagian dalam combustion chamber dan bagian inlet turbin di pasang manhole di bagian bawah. Gambar Combustion Chamber
[29]
Componentsdapat dilihat seperti gambar berikut:
Gambar 2.22. Combustion Chamber ComponentsSistem pembakaran ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas.
Komponen- komponen itu adalah :
- Combustion Chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar yang masuk.
- Combustion Liners, terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran.
- Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liner
- Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar.
- Transition Fieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas.
- Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber.
- Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi proses pembakaran terjadi. Combustion chamber yang ada disusun kosentris mengelilingi aksial flow compressor dan disambungkan dengan keluaran kompresor udara dari aksial flow compressor yang dialirkan langsung ke masing-masing chambers. Zona pembakaran pada combustion chamber ada tiga yaitu: 1.
Primary Zone, merupakan tempat dimana bahan bakar berdifusi dengan udara kompresor untuk membentuk campuran udara bahan bakar yang siap dibakar.
2. Secondary Zone, adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone.
3. Dilution Zone, merupakan zona untuk mereduksi temperatur gas hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk ke first stage nozzles. Combustion liners didesain dengan satu seri lubang dan louvers yang ditempatkan didalam chambers. Digunakan untuk mencampurkan bahan udara dari kompresor dan bahan bakar dari nozel yang membakar campuran ini. Fuel nozzle terdapat pada ujung combustion chamber dan masuk ke combustion liners.
Fungsi dari fuel nozzle ini adalah untuk mengabutkan bahan bakar dan mengarahkannya ke reaction zone pada ruang bakar.
Transition piece terdapat antara combustion liners dan first stage nozzle. Alat ini digunakan untuk mengarahkan udara panas yang dihasilkan pada combustion section ke first stage nozzle. Gambar Pola aliran udara sistem pembakaran axial-flow dapat dilihat seperti gambar berikut:
[30]
Gambar 2.23. Pola aliran udara sistem pembakaran axial-flowSpark plugs terdapat pada bagian samping combustion chamber dan masuk ke combustion liners. Spark plugs berfungsi untuk menyulut campuran bahan bakar dan udara pada saat turbin gas star up. Pembakaran akan terus terjadi selama suplai bahan bakar dan udara terus berlangsung. Spark plugs terpasang pada sebuah pegas setelah proses pembakaran terjadi, tekanan yang dihasilkan meningkat dan akan memaksa plugs naik menuju casing dan mengeluarkan gas panas.
Cross fire tube berfungsi untuk menghubungkan semua combustion chamber. Tabung ini digunakan untuk mengirimkan pengapian dari satu combustion liners ke yang berikutnya selama start up. Gambar System
[31]
Pembakaran pada Combution chamber dapat dilihat seperti gambar berikut ;
Gambar 2.24. System Pembakaran pada Combution chamber2.3.4. Turbin
Bagian ini merupakan tempat terjadinya perubahan energi kinetik kecepatan menjadi energi mekanik putar yang digunakan untuk menggerakan kompresor aksial dan juga sebagai penggerak beban.
Proses ekspansi gas pembakaran pada turbin gas terjadi pada turbin, karena proses tersebut, terjadi perubahan energi kinetik gas pembakaran menjadi energi mekanik poros turbin, energi ini akan menggerakan kompresor dan peralatan lainnya. Komponen-komponen pada turbin section adalah sebagai berikut : 1.
Turbin Rotor Case 2. First Stage Nozzle, yang berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel.
3. First Stage Turbine Wheel, berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaranrotor.
4. Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbin wheel. Gambar Second Stage Nozzle,
[32] Second Stage Turbine dapat dilihat seperti gambar berikut;
Gambar 2.25 Second Stage Nozzle, Second Stage Turbine 5.Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar. Gambar Second Stage Turbine dapat dilihat seperti gambar diatas. Gambar Komponen – komponen Turbin dapat
[33]
dilihat seperti gambar dibawah ini :
Gambar 2.26 Komponen – komponen Turbin.2.3.5. Air Filter
Air filter berfungsi sebagai penyaring udara yang masuk ke kompresor (agar debu atau bahan lain tidak ikut karena dapat mengotori sudu - sudu kompresor).
- Inlet Screens, untuk mencegah binatang ataupun kotoran/sampah berukuran besar masuk
- Guard Filter, merupakan filter sekali pakai,yang menyaring sebagianbesar kontaminan yang dibawa udara.
- Barrier Filter, adalah filter udara utama yang menyaring kotoransetelah guard filter, biasanya berupa bag filter atau canister filter. Udaramengalir dari bagian dalam keluar,sehingga kotoran terperangkap didalam.
- FOD (Foreign Object Damage) Screens, yaitu penyaring terakhir sebelum masuk ke inlet bellmouth, berukuran sekitar 1200 microns dandidukung oleh stainless-steel mesh. Gambar Air Filter dapat dilihat seperti gambar
[34]
berikut ini;
Gambar 2.27. Air Filter2.3.6. Exhaust
Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas.
Exhaust section terdiri dari beberapa bagian yaitu : 1. Exhaust Frame Assembly.
2. Exhaust Diffuser Assembly.
Gambar 2.28 Exhaust FrameExhaust gas keluar dari turbin gas melalui exhaust diffuser pada exhaust
[35]
frame assembly, lalu mengalir ke exhaust plenum dan kemudian didifusikan dan dibuang ke atmosfir melalui exhaust stack, sebelum dibuang ke atmosfir gas panas sisa tersebut diukur dengan exhaust thermocouple dimana hasil pengukuran ini digunakan juga untuk data pengontrolan temperatur dan proteksi temperatur trip. Pada exhaust area terdapat 18 buah termokopel yaitu, 12 buah untuk temperatur kontrol dan 6 buah untuk temperature trip. Gambar Exhaust Frame dapat dilihat pada gambar diatas sedangkan, gambar Exhaust Diffuser dapat
[36]
dilihat seperti gambar berikut;
Gambar 2.28.Exhaust Diffuser
2.3.7 Load Gear (Reduction Gear)
Reduction gear adalah alat penghubung turbin dengan generator yang fungsinya adalah untuk menurunkan kecepatan putaran poros turbin. Pada satsiun pembangkit, penurunan putaran dilakukan dengan menggunakan roda gigi.
Reduction gear diletakkan antara poros turbin dengan poros generator. Jadi reduction gear berfungsi untuk memindahkan daya yang dihasilkan turbin ke generator. Karena pada umumnya putaran turbin dan generator tidak sama, maka reduction gear selain memindahkan daya juga berfungsi untuk menyesuaikan putaran turbin agar sesuai dengan putaran generator. Gambar Load Gear (Reduction
[37]
Gear) dapat dilihat seperti gambar berikut;
Gambar 2.30 Load Gear (Reduction Gear).Poros turbin dan poros reduction gear disambungkan dengan sebuah kopling. Kopling ini pada umumnya disebut kopling beban. Sebelum pemasangan kopling ini diperiksa terlebih dahulu apakah poros turbin dengan poros load gear sudah lurus. Karena apabila tidak terjadi kelurusan, maka vibrasi yang terjadi pada saat pembangkit beroperasi akan sangat besar.
2.4 Komponen Penunjang
Ada beberapa komponen penunjang pada turbin gas,antara lain sebagai berikut :
2.4.1 Starting Equipment
Berfungsi untuk melakukan start up sebelum turbin bekerja. Jenis-jenis starting equipment yang digunakan di unit-unit turbin gas pada umumnya adalah :
1. Diesel Engine, (PG –9001A/B)
2. Induction Motor, (PG-9001C/H dan KGT 4X01, 4X02 dan 4X03)
3. Gas Expansion Turbine (Starting Turbine)
2.4.2 Coupling dan Accessory Gear
Berfungsi untuk memindahkan daya dan putaran dari poros yang bergerak ke poros yang akan digerakkan.
Ada tiga jenis coupling yang digunakan, yaitu: 1.
Jaw Cluth, menghubungkan starting turbine dengan accessory gear dan HP turbin rotor. Gambar Jaw Cluth dapat dilihat seperti
[38]
berikut :
Gambar 2.31. Jaw Cluth 2.Accessory Gear Coupling, menghubungkan accessory gear dengan HP turbin rotor. Gambar Gear Coupling dapat dlihat seperti
[39]
gambar berikut ini:
Gambar 2.32 Gear Coupling 3.Load Coupling, menghubungkan LP turbin rotor dengan kompressor beban.
2.4.3 Fuel System.
Bahan bakar yang digunakan berasal dari fuel gas system dengan tekanan sekitar 15 kg/cm2. Fuel gas yang digunakan sebagai bahan bakar harus bebas dari cairan kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapatkan kondisi tersebut diatas maka sistem ini dilengkapi dengan knock out drum yang berfungsi untuk memisahkan cairan-cairan yang masih terdapat pada fuel gas.
2.4.4 Lube Oil System
Lube oil system berfungsi untuk melakukan pelumasan secara kontinu pada setiap komponen sistem turbin gas. Lube oil disirkulasikan pada bagian- bagian utama turbin gas dan trush bearing juga untuk accessory gear dan yang lainnya. Lube oil system terdiri dari:
1. Oil Tank (Lube Oil Reservoir)
2. Oil Quantity
3. Pompa
4. Filter System
5. Valving System
6. Piping System 7. Instrumen untuk oil.
Pada turbin gas terdapat tiga buah pompa yang digunakan untuk mensuplai lube oil guna keperluan lubrikasi, yaitu:
1. Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil.
2. Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun.
3. Emergency Lube Oil Pump, merupakan pompa yang beroperasi jika kedua pompa diatas tidak mampu menyediakan lube oil.
2.4.5 Cooling System Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas adalah air dan udara.
Udara dipakai untuk mendinginkan berbagai komponen pada section dan bearing. Komponen – komponen utama dari cooling system adalah: 1.
Off base Water Cooling Unit 2. Lube Oil Cooler 3. Main Cooling Water Pump 4. Temperatur Regulation Valve 5. Auxilary Water Pump 6. Low Cooling Water Pressure Swich 2.5. Siklus Tur bin Gas.
Berdasarkan klasifikaasi turbin gas terbagi menjadi 2
[40]
: Siklus Terbuka (Open Cycle Gas Turbine) dan Siklus Tertutup (Closed Cycle Gas Turbine): 1.
Siklus Terbuka (Open Cycle Gas Turbine)
- Siklus Turbin Gas Terbuka Langsung •
Siklus Turbin Gas Terbuka Tak Langsung 2. Siklus Tertutup (Closed Cycle Gas Turbine)
- Siklus Turbin Gas Tertutup Langsung • Siklus Turbin Gas Tertutup Tak Langsung.
2.5.1 Siklus Terbuka (Open Cycle Gas Turbine)
2.5.1.1 Siklus Turbin Gas Terbuka Langsung
Pada siklus turbin gas terbuka adalah bentuk yang paling sederhana yang komponen - komponen utamanya : kompresor, ruang bakar, sebuah turbin gas yang menggerakan kompresor dan generator.
Pertama udara dihisap dari atmosfir dan kemudian kompresi adiabatik dan udara dibakar di ruang bakar. Udara yang dikompresi bercampur dengan bahan bakar kemudian bertekanan masuk menjadi proses pembakaran dan keluar dalam bentuk gas panas yang digunakan untuk memutar sudu turbin gas.
Di turbin gas panas tersebut diekspansikan dan dibuang ke atmosfer. Fluida kerja yang hanya dapat digunakan adalah hanya udara. Gambar Siklus
[41]
Turbin Gas Terbuka Langsung dapat dilihat seperti gambar berikut ;
Dimana K = Kompresor
:
TG = Turbin Gas G = Generator
Gambar 2.33. Siklus Turbin Gas Terbuka Langsung2.5.1.2. Siklus Turbin Gas Terbuka Tak Langsung
Komponen - komponen siklus ini sama dengan siklus terbuka langsung, kecuali disini udara merupakan fluida kerja sekunder yang menerima kalor dari bahan pendingin primer di dalam penukar kalor. Gambar Siklus Turbin Gas
[42]
Terbuka Tak Langsung dapat dilihat seperti gambar berikut
Dimana K = Kompresor
:
TG = Turbin Gas G = Generator
Gambar .2.34. Siklus Turbin Gas Terbuka Tak Langsung
2.5.2 Siklus Tertutup (Closed Cycle Gas Turbine)
2.5.2.1. Siklus Turbin Gas Tertutup Langsung
Siklus tertutup langsung gas pendingin dipanaskan di dalam reaktor, berekspansi melalui turbin, didinginkan dalam pnukar kalor dan dikompresikan kembali ke 24reactor. Siklus ini juga dapat menggunakan gas lain, bukan hanya udara. Tidak ada buangan gas radioaktif yang dibuang ke atmosfir dalam operasi normal. Gambar Siklus Turbin Gas Tertutup Langsung dapat dilihat seperti gambar
[43]
berikut ;
Dimana K = Kompresor
:
TG = Turbin Gas G = Generator
Gambar 2.35. Siklus Turbin Gas Tertutup Langsung2.5.2.2. Siklus Turbin Gas Tertutup Tak Langsung
Siklus tertutup tak langsung merupakan siklus gabungan siklus terbuka tak langsung dan siklus tertutup langsung karena reaktornya terpisah dari fluida kerja oleh suatu penukar kalor, sedangkan gas kerja membuang kalor ke atmosfir melalui penukar kalor. Gambar Siklus Turbin Gas Tertutup tak Langsung dapat
[44]
dilihat seperti gambar berikut ;
Dimana K = Kompresor
:
TG = Turbin Gas G = Generator
Gambar 2.36. Siklus Turbin Gas Tertutup Tak Langsung.2.6. Siklus Br ayton Ideal Siklus ini terdiri dari dua proses isentropi mampu balik (isentropik) dan dua proses tekanan tetap. Gas tersebut dimampatkan secara 26sentropik dari titk 1 ke 2, dipanaskan pada tekanan konstan dari titik 2 ke 3, dan kemudian diekspansikan secara isentropik melalui turbin dari titik 3 ke 4, pendinginan berlangsung dari ttik 4 ke 1, baik dalam penukar kalor (siklus tertutup) atau
[44]
atmosfir terbuka (siklus terbuka).Gambar siklus Brayton Ideal sebagai berikut;
Gambar 2.37 Siklus Brayton IdealKerja output/keluaran netto siklus Brayton adalah kerja output turbin dikurang
[46] kerja input compressor .
Wnet = WT –WC =
̇ ( h 3 - h 4 ) – ̇ (h 2 – h1 )…………….…..…...(2.1) Karena dh = Cpdt, harga Cp konstan Maka :
WT = ̇. Cp .(T3 – T4)…………………………………...(2.2) dimana : cp = panas spesifik pada tekanan konstan.
Untuk gas ideal, nyata bahwa dalam kompresi adibatis , maka
[47] perbandingan temperatur gas terkompresi dengan temperatur awalnya adalah.
(k-1)/k
= rp …………………………….…………..………………………...(2.3)
4 W c = .Cp.T
3
̇
�1 − �
3
1 Wc = .Cp. T
2
̇
�1 − ( � −1)/
dimana : WT = Kerja turbin [kJ/s] = laju aliran massa udara [kg/s]
̇ rp = perb. Teknan turbin, P 3 /P 4 k = Cp/Cv (Cv = panas spesifik pada volume konstan). Cp = k . Cv
Dengan cara yang sama untuk kerja kompresor adalah WC =
̇.Cp .[T1 – T 2 ]
1 Wc = 2 ……………..……………………………...(2.4)
̇ . Cp , T
�1 − ( � −1)/
Dimana : Kerja netto siklus Brayton :
1 W W - W = [ – T ] ……………………….(2.5) net = T c
3
2
̇ Cp [T
�1 − ( �… −1)/
Panas input = ̇. Cp (T3 - T 4 )
Efisiensi siklus =
Q
1
= 1- …………………………………………….…(2.6)
( −1)/
dimana : Wnet = kerja netto [kJ/s] WT = kerja turbin [kJ/s] WC = kerja kompresor [kJ/s] Qin = panas yang ditambahkan [kJ/s]
= laju aliran massa udara [kg/s] ̇ rp = perb. Teknan turbin, P 3 /P 4 k = Cp/Cv (Cv = panas spesfik pada volume konstan.
2.7 Siklus Brayton Non Ideal
Siklus Brayton non ideal ditunjukkan garis putus – putus dan tanda (‘) diatas. Pada masing – masing proses kompresi terjadi gesekan fluida (1-2’) dan proses ekspansi terjadi gesekan fluida (3-4’) menunjukkan kenaikan entropi penurunan – penurunan tekanan selama proses pemasukan panas (2-3) dan proses pembuagan panas (4-1) bisa diabaikan .Keperluan tekanan ini diikuti hanya
[48] terhadap kasus –kasus perbandingan tekanan rendah.
Efisiensi masing – masing proses kompresi dan ekspansi dapat dihitung sebagai berikut : Untuk kompresor :
cp = ……….………………………………………………(2.7)
η
cp = ……………………………………………………….(2.8)
η
Gambar 2.38 Siklus Brayton Non IdealUntuk Turbin :
T = ………………………………………………...(2.9)
η Dimana temperatur berkaitan denagan panas spesifik konstan. Maka kerja output turbin dan kerja input yang dibutuhkan kompresor sebagai berikut : W T = gb . Cp (
3 – T’ 4 ) ………………………………………..(2.10)
̇
c
= ’ – T )……………………...…………………...(2.11)
W
2
1
̇ . Cp (T Kerja netto keluran siklus adalah perbedaan antara kerja output turbin dan kerja input yang dibutuhkan kompresor.
Jadi kerja netto :
W net = W T - W c
Daya spesifik siklus dapat digunakan sebagai salah satu pengukuran performansi siklus tersebut, yaitu :
Daya spesifik = ……………………………..……………..…..(2.12) ̇
Daya spesifik ini adalah bergantung pada panas spesifik dari fluida kerja yang diguakan pada siklus dan perbedaan tekanan yang terjadi, dimana harga optimum dapat tercapai. Panas masuk atau energi yang diberikan kedalam siklus QA :
QA =
̇bb . LHV………………………………………………………….(2.13) Dimana :
̇bb = Massa bahan bakar [kg/s] LHV = Nilai kalor pembakaran bawah [kJ/kg] Effisiensi dapat ditentukan dari penggambaran standart untuk effisiensi thermal total (overall) , berikut : = ………………………………………………………….(2.14)
η ov Effisiensi termal total gabungan pada effisiensi kompressor dan effisiensi turbin.
2.8. Teor i Kompresi
2.8.1. Hubungan Antara Tekanan dan Volume Hubungan antara tekanan dan volume gas dalam proses kompresi tersebut dapat diuraikan sebaai berikut. Jika selama kompresi, temperatur gas dijaga tetap
(tidak bertambah panas) maka pengecilan volume terjadi setengah kali akan menikkan tekanan menjadi dua kali lipat. Demikian juga volume menjadi sepertiga kali, maka tekanan menjadi tiga kali lipat dan seterusnya.jadi dapat disimpulkan : “Jika gas dikompresikan atau diekspansikan pada temperatur tetap, maka tekanan akan berbanding terbalik dengan volume”. Pada hukum Boyle :
P V = P V = tetap………………………………………………..(2.15)
1
1
2
2 2.8.2 Hubungan Antara Temperatur dan Volume .